什么是三極管(也稱晶體管)在中文含義里面只是對三個引腳的放大器件的統(tǒng)稱,我們常說的三極管,可能是 如圖所示的幾種器件。可以看到,雖然都叫三極管,其實在英文里面的說法是千差萬別的,三極管這個詞匯其實也是中文特有的一個象形意義上的的詞匯。
電子三極管 Triode 這個是英漢字典里面“三極管”這個詞匯的唯一英文翻譯,這是和電子三極管最早出現(xiàn)有關(guān)系的,所以先入為主,也是真正意義上的三極管這個詞最初所指的物品。其余的那些被中文里叫做三極管的東西,實際翻譯的時候是絕對不可以翻譯成Triode的,否則就麻煩大咯,嚴謹?shù)卣f,在英文里面根本就沒有三個腳的管子這樣一個詞匯!
三極管工作原理
理論原理
晶體三極管(以下簡稱三極管)按材料分有兩種:鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式,但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管,(其中,N是負極的意思(代表英文中Negative),N型半導(dǎo)體在高純度硅中加入磷取代一些硅原子,在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電,而P是正極的意思(Positive)是加入硼取代硅,產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電)。兩者除了電源極性不同外,其工作原理都是相同的,下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。
對于NPN管,它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成,發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極e (Emitter)、基極b (Base)和集電極c (Collector)。如右圖所示
當(dāng)b點電位高于e點電位零點幾伏時,發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài),而C點電位高于b點電位幾伏時,集電結(jié)處于反偏狀態(tài),集電極電源Ec要高于基極電源Eb。
在制造三極管時,有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的,同時基區(qū)做得很薄,而且,要嚴格控制雜質(zhì)含量,這樣,一旦接通電源后,由于發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(電子)及基區(qū)的多數(shù)載流子(空穴)很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U散,但因前者的濃度基大于后者,所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流,這股電子流稱為發(fā)射極電流子。
由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏,注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進入集電區(qū)而形成集電極電流Ic,只剩下很少(1-10%)的電子在基區(qū)的空穴進行復(fù)合,被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給,從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得:
Ie=Ib+Ic
這就是說,在基極補充一個很小的Ib,就可以在集電極上得到一個較大的Ic,這就是所謂電流放大作用,Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系,即:
β1=Ic/Ib
式中:β1--稱為直流放大倍數(shù),
集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為:
β= △Ic/△Ib
式中β--稱為交流電流放大倍數(shù),由于低頻時β1和β的數(shù)值相差不大,所以有時為了方便起見,對兩者不作嚴格區(qū)分,β值約為幾十至一百多。
α1=Ic/Ie(Ic與Ie是直流通路中的電流大小)
式中:α1也稱為直流放大倍數(shù),一般在共基極組態(tài)放大電路中使用,描述了射極電流與集電極電流的關(guān)系。
α =△Ic/△Ie
表達式中的α為交流共基極電流放大倍數(shù)。同理α與α1在小信號輸入時相差也不大。
對于兩個描述電流關(guān)系的放大倍數(shù)有以下關(guān)系
三極管的電流放大作用實際上是利用基極電流的微小變化去控制集電極電流的巨大變化。[2]
三極管是一種電流放大器件,但在實際使用中常常通過電阻將三極管的電流放大作用轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?/p>
放大原理
1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子
電源Ub經(jīng)過電阻Rb加在發(fā)射結(jié)上,發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(自由電子)不斷地越過發(fā)射結(jié)進入基區(qū),形成發(fā)射極電流Ie。同時基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴散,但由于多數(shù)載流子濃度遠低于發(fā)射區(qū)載流子濃度,可以不考慮這個電流,因此可以認為發(fā)射結(jié)主要是電子流。
2、基區(qū)中電子的擴散與復(fù)合
電子進入基區(qū)后,先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集,漸漸形成電子濃度差,在濃度差的作用下,促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴散,被集電結(jié)電場拉入集電區(qū)形成集電極電流Ic。也有很小一部分電子(因為基區(qū)很薄)與基區(qū)的空穴復(fù)合,擴散的電子流與復(fù)合電子流之比例決定了三極管的放大能力。
3、集電區(qū)收集電子
由于集電結(jié)外加反向電壓很大,這個反向電壓產(chǎn)生的電場力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴散,同時將擴散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流Icn。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子(空穴)也會產(chǎn)生漂移運動,流向基區(qū)形成反向飽和電流,用Icbo來表示,其數(shù)值很小,但對溫度卻異常敏感。
在圖1所示的雙極型三極管基本開關(guān)電路中,輸出的高、低電平分別代表邏輯狀態(tài)的1和0。因此,希望高電平盡量接近Vcc,低電平盡量接近零,也就是希望三極管的c-e之間盡量接近于理想開關(guān)。這就要求輸入信號VI為低電平時三極管完全截止,VI為高電平時三極管飽和導(dǎo)通。
1 工作在截止?fàn)顟B(tài)的條件和特性
工作在截止?fàn)顟B(tài)的條件是VBB《=0。如果采用圖2的折線化近似特性,則近似地認為VI《=VON時三極管便已經(jīng)截止。截止?fàn)顟B(tài)下三極管的特性是iB=0/ic=0。因為沒有ic流過rc,所以rc上沒有壓降,故VO=VOH=VCC。
實際上三極管處于截止?fàn)顟B(tài)下ic不可能絕對為零,但此時的漏電流極小,所以認為不會引起很大的誤差。這時三極管的c-e之間就相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)。
2 工作在放大狀態(tài)的條件和特性